基于ArcGIS的艾比湖周邊灌叢沙堆三維形態特征的提取與分析

李曉媛

(新疆水利水電勘測設計研究院，新疆 烏魯木齊 830000)

1 引言

灌叢沙堆是干旱地區沙漠、半干旱半濕潤沙地和沙質海岸帶常見的風積生物地貌類型，由于風沙流遇到灌叢阻攔，沙物質在灌叢及其周圍堆積而形成的［1］。新疆艾比湖湖濱廣泛分布著檉柳、白刺、鹽節木、梭梭、麻黃等植被，以這些固沙能力較強的灌叢植被為依托，在艾比湖較充足的沙源和強勁的風力作用下，形成了不同植被類型、不同形態的灌叢沙堆。灌叢沙堆被吹揚繼而沙堆與流沙相間分布是土地沙漠化過程的重要環節［2］，灌叢沙堆在半干旱草原和稀樹草原的沙漠化過程中扮演了重要的角色，沙漠化過程實際上就是沙漠灌叢大范圍取代草原的過程。沙堆的形成不僅改變了風速和風向，也在很大程度上優化了當地的小生境［3］。

本文嘗試以點線面調查相結合的方法，以RTK為平臺重點對艾比湖周邊典型樣方內灌叢沙堆的形態特征、植物生態學特征進行了實測和采樣分析，利用GIS技術生成數字高程模型(Digital Elevation Model，DEM)，結合對艾比湖的高分辨率遙感影像進行目視解譯的結果，從灌叢沙堆的植被類型、密度、高度、面積和體積幾個方面進行定量描述，從而研究艾比湖周邊灌叢沙堆的空間分布格局，并探討其成因。為研究區荒漠化防治以及區域生態保護提供基礎數據和科學依據。

2 研究區概況

新疆艾比湖濕地國家級自然保護區地處新疆博爾塔拉蒙古自治州東北角。地理坐標東經82°36'～83°50'，北緯 44°30'～45°09'。位于準噶爾盆地西南緣，三面環山，東北部與古爾班通古特沙漠相連，遠離海洋，干燥少雨，光熱充足，屬于典型的溫帶干旱大陸性氣候。艾比湖為準噶爾盆地最低洼地，是地表、地下水匯集中心，湖水礦化度高，湖面海拔196 m，現有水域面積683 km2。其地處阿拉山口大風的主風道上，常年以西北風居多，年平均≥8級以上的大風160多天，瞬時極大風速達 55m/s［4］。

3 研究意義

由于艾比湖地處阿拉山口大風通道區，氣候極端干旱，生態區位極為重要，成為影響這個新疆北部乃至內地生態系統的重要因素之一，是指征準噶爾盆地生態環境變化的關鍵地區，在我國內陸荒漠自然生態系統中具有典型性和較高的保護價值［5］。灌叢沙堆的退化演替過程通常是自然因素和人為活動對生態系統的壓力綜合作用的結果［6］。受氣候變化和人類活動的影響和控制，灌叢沙堆的形成與發育是群落演替過程中植被與環境相互作用的結果，對其地貌形態特征的研究分析不僅有利于進一步結實灌叢沙堆發育過程中植被生態特征與沙堆演化的關系，而且對研究區域的荒漠化防止有一定的現實意義［7］。

4 技術路線

圖1 技術路線圖

5 主要步驟

5.1 樣方設置及測量

在野外調查過程中，結合對研究區遙感影像進行目視解譯的結果，通過對現地的觀察，根據對研究區地形地貌以及植被、土壤等各種自然地理要素分析，選擇能帶代表灌叢種群特征的6個典型樣區4種不同植被類型的灌叢沙堆進行數據實測，樣方分別為:樣方A，100 m×100 m，白刺沙堆;樣方 B，50 m×50 m，鹽節木沙堆;樣方 C，50 m×50 m，白刺沙堆;樣 方 D，50 m×50 m，梭梭和白刺混生沙堆;樣方 E和樣方F，為100 m×100 m檉柳沙堆，如圖2所示。

圖2 樣方分布圖

其中樣方A、B、C、D使用RTK進行測量，樣方E、F為人工測量。在實施測量時，根據所選樣區位置、衛星狀況等進行基準站布設，硬件安裝。先以GPS圈定樣方范圍，用移動站動態測量每個沙堆輪廓線，脊線及頂點坐標。在實際操作過程中，只需要設置好基準站，然后帶上移動測站在每個沙堆輪廓線及脊線上走一遍，GPS將會每秒記錄一次坐標，形成連續的航跡，如圖3所示，在獲得數據后，對其進行刪除冗余點和精度分析的操作。為了提高測量精度，一般對每個沙堆測量兩遍，取平均值。人工測量主要采用目測或者皮尺、鋼卷尺和羅盤等工具，測量沙堆迎風坡坡長(Ls)、迎風坡坡角(α)、背風坡坡長(L1)與背風坡坡角(β)，長軸長度(L)與走向、短軸長度(W)以及沙堆高度(H)等形態學數據，如圖4所示。

圖3 GPS動態測量航跡圖

圖4 沙堆形態參數示意圖

5.2 構建DEM

本文利用Trimble 5700獲取的實地三維數據，運用美國ESRI公司的ArcGIS 9.1軟件中的三維分析(3DAnalyst)模塊、空間分析(Spatial Analyst)模塊，構建四個灌叢沙堆樣區的DEM。

(1)高程點創建柵格DEM

在ArcGIS 9.1中內插方法主要包括反距離權重插值(Interpolate to Raster)、樣條函數插值(Spline)、克利金插值(Kriging)和自然領域內插(Natural Neighbors)。

本文采用反距離權重插值方法來創建樣區的柵格DEM。

(2)柵格表面生成等高線圖

本文運用ArcGIS 9.1軟件的三維分析(3DAnalyst)模塊和柵格DEM中的表面分析功能生成樣區的等高線圖。經過反復試驗，為得到最佳效果，其等高距分別設置為:樣區A:0.02 m;樣區B:0.1 m;樣區C:0.05 m;樣區D:0.05 m。

(3)等高線生成TIN

通常TIN是從多種矢量數據源中創建的。可以用點、線與多邊形要素作為創建TIN的數據源。其中，不要求所有要素都具有Z值，但有一些要素必須有Z值。同時，這些用以創建TIN的輸入要素還可以包含整數屬性值，并且這些屬性值也將在輸出的TIN要素中保留。TIN可以有效模擬樣區的地形表面。本文運用ArcGIS 9.1軟件的三維分析(3DAnalyst)模塊中的創建TIN用等高線生成樣區的TIN，如圖5所示。

圖5 樣區TIN

5.3 灌叢沙堆三維形態特征提取

地貌形態的測量和表述，有很大的科學意義。量測得到的形態數字指標，既是表述和比較地貌形態特征的數字參數，也是劃分地貌形態類型的科學依據［8］。對于多邊形地理實體，主要是以其形狀指數的測度來對其空間分布格局進行描述，對三維空間特征分析時，需要考慮高程、體積等指標［9］。

本文從灌叢沙堆的分布密度、高度、面積和體積幾個方面做分析。

(1)點密度特征提取

分布密度是指單位分布區域內的分布對象的數量，是兩個比率尺度數據的比值。本文對灌叢沙堆點分布密度計算以頻數計，即分子為點的出現頻率，分母為樣地面積，公式為:

本文按此方法對樣區內灌叢沙堆的點密度進行統計計算，如表1所示。

樣區灌叢沙堆點分布密度統計表 表1

總體看來，單位面積內，鹽節木沙堆出現的頻率最高，分布密度為7.6×10－3個/m2，即鹽節木沙堆分布最密集;其次為梭梭沙堆，分布密度為5.2×10－3個/m2;白刺沙堆的分布在不同區域其密度不同，在湖西北岸的分布密度為5.2×10－3個/m2，湖東南岸分布密度為1.6×10－3個/m2。

(2)灌叢沙堆高度和體積特征提取

灌叢沙堆高度和體積的提取以前期工作得到的TIN格式DEM及等高線為基礎，將每一個沙堆單獨提取出來，應用ArcGIS 9.2中三維分析模塊的創建垂直剖面圖。剖面圖直觀的表現出沿表面上某條線前進時高程變化的情況，因此，對樣區內所有灌叢沙堆的剖面進行統計分析，以計算灌叢沙堆的高度參數［11］。

將最高高程值與最低高程值相減，即得到灌叢沙堆的高度值。樣區內灌叢沙堆高度的最高值、最小值和平均值，如表2所示。

樣區灌叢沙堆高度統計表 表2

本文利用ArcGIS中三維分析模塊的計算體積的功能，對樣區內每個灌叢沙堆進行統計計算，如表3所示。

樣區灌叢沙堆體積統計表 表3

樣區E、F分別為艾比湖南岸和北岸的檉柳沙堆，測量數據如表4所示。

人工樣區數據統計表 表4

5 結論

總體看來，艾比湖周邊的檉柳沙堆高度最高，體積最大，除檉柳沙堆以外，艾比湖周邊灌叢沙堆的高度分布呈一定規律性，即灌叢沙堆的高度隨植被高度的增加而增加，鹽節木的高度最低，其形成的沙堆最矮小;白刺的高度整體比鹽節木高，其形成的沙堆比鹽節木略高大;梭梭的高度最高，其形成的沙堆最為高大。

結合圖2中艾比湖周邊灌叢沙堆的分布與距湖遠近的規律性，可以得出艾比湖周邊灌叢沙堆的高度和體積與湖濱距離遠近的關系，即灌叢沙堆的高度和體積隨與湖濱距離的增加而增大。與湖濱距離最近的鹽節木沙堆的高度和體積最小，隨與湖濱距離的增加，漸變為高度體積略大的白刺沙堆，隨與湖濱距離的繼續增加，則漸變為高度體積更大的梭梭沙堆。

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